进出自动化过程控制系统的信号必须准确可靠地传递信息。无论是老式的4到20 mA模拟信号，用于通信储罐中的液位，还是以太网/IP™信号，将数字指令传递给工厂地面上的输送系统，电信号的完整性都是可编程自动化控制器功能、可靠性和准确性所依赖的基础
许多工作环境中常见的热量、灰尘、腐蚀性化学品、湿气和振动会降低线路和连接质量，然而，恶劣的电气环境会降低信号质量。因此，有效的故障排除可能需要检查线路、连接和信号在系统中的电气特性(图1)．
排忧解难的工具箱
用于测试电信号完整性的工具从数字万用表到专门用于测试模拟和数字电路电气特性的设备。(注意:本文不讨论将信号作为数据进行分析的工具。)电池供电的设备可以进行“浮动”测量，其中测量仪器的任何点都不处于地电位，这有助于确保测量精度，并且测量过程不会降低网络性能。
- 一个数字万用表*可以进行基本的电气测量(如连续性，电阻和电容)，这些是对电线和电缆完整性有用的基本测试。
- 示波器使故障排除人员能够检查信号波形，使他们能够看到动态电气特性，如噪声、失真和信号振幅。为网络电气测试设计的示波器具有数字万用表和示波器的功能，以及专门用于网络故障排除的附加功能。一些专门的网络示波器不仅可以测量信号特性;它们可以执行详细的波形分析(测量波特率、抖动、上升和下降时间)，捕捉信号扰动和异常，并告诉操作员测量值是否在常见工业网络的可接受范围内。
- 专用模拟故障排除工具包括各种用于现场过程校准和记录的工具(例如压力、温度和毫安回路)，以及用于测试压力和真空的泵。许多这些工具，如过程毫安钳形表，具有独特的测量功能，用于检查模拟I/O信号。
从基础开始
首先，通过澄清什么工作，什么不工作，以及问题的确切症状是什么，缩小故障排除任务的范围。
检查服务历史记录。
最近有什么东西被维护或重新配置过吗?在麻烦开始之前，有添加或修改过什么吗?通常，以前健康的系统的问题是由修改或维修引起的。
寻找相关事件。
调查干扰是否与特定事件或设备有关，如电机启动或灯被打开。
目视检查。
检查线路是否正确且完好无损(没有断裂、磨损或绝缘损坏)。检查端子是否紧固，无腐蚀，并具有正确的阻抗(如果需要)。验证线路运行的长度在规格范围内，有正确的电缆和屏蔽，并与电源导体(特别是电机驱动器)隔离。
进行基本的电气测量。
根据需要和可能，进行测量，以验证信号和屏蔽连接是否牢固和正确。测量(从基本到高级)包括:
- 线路运行中的电阻和连续性。确保存在信号通路，并确保阻值在规格(图2)．
- 布线、屏蔽和接地之间的电阻。确保电线和防护罩隔离，防护罩接地正确。
- 导体和屏蔽之间的电容。电容值应与厂家对电缆类型和长度的规格相符，并与网络类型一致。
- 供应电压。检查设备功率是否在规格范围内，特别是检测到微弱信号或幅度低于预期的信号时。
记录你的发现。
仔细记录每一次测量，注意测量的内容、位置和条件。
通过检查数字波形对物理层进行数字故障排除
数字信号通常以理想的形式进行可视化和讨论:具有完美时序和其他特征的完美波形。实际情况，特别是在工业环境中，可能完全不同。
要检查数字波形，将示波器连接到I/O链路并检查波形。
- 确认信号波形结构良好，没有过度衰减，没有过大的噪声。
- 过渡过慢(上升时间慢)可能表明导体过长，电缆损坏或类型错误，或所需的终止器损坏或丢失。
- 脉冲超调(脉冲振幅超过100%)也是网络中超出规格的阻抗的指示。
- 增加示波器图像持久性和调整触发，以获得显示器上的“眼睛图案”(图3)．(专用的网络信号检测工具可能具有自动眼型设置。)这种范围模式使用户可以很好地洞察总线活动和整体信号质量。
图3。示波器显示有噪声和干净的数字信号的“眼睛模式”。 
图4。测量4-20毫安过程控制回路上的电流是物理层模拟故障排除的一部分。 - 缓慢变化的边缘不一定表明网络有问题，但速度转换的巨大差异需要进一步研究。
- 如果只是偶尔捕捉到波形明显不同的曲线，则可能是单个设备有硬件问题或没有正常供电。
- 高电平和低电平之间的广泛分布可能表明线路上的信号衰减。
- 信号电平的不一致分布可能表明网络中的不连续，或者设备发出的信号振幅过低。
眼模式还可以分析网络上的噪声水平。噪音会干扰信号，破坏或中断通信。电缆屏蔽层连接不良或屏蔽断开是造成干扰级噪声的常见原因。
物理层的模拟故障排除
虽然趋势是数字化，模拟系统——特别是4-20毫安(mA)过程控制回路——仍然随处可见，特别是在制药、炼油和其他过程制造领域(图4)．万用表和示波器在测量和可视化模拟系统的电气特性方面起着重要作用，但是专用工具不仅可以测量模拟电平和控制信号，而且还可以来源、模拟和记录它们是标准的。
4-20毫安过程控制回路故障排除
4-20 mA控制回路信号代表一个过程变量(如压力或阀门位置)，具有类似的电流。故障诊断:
- 测量4-20 mA信号。如果回路电流不符合预期，检查三个可能的原因:一个坏的回路电源，断开/断开/短路的电线，或仪表故障。
- 测量发射机和电源处的回路电源。在发射器上应该有大约19到23伏的电压。电源应接近24v。
- 如果回路电源测量看起来可疑，使用测试工具的24v电源进行替换测试。
- 检查线路。检查接线端电阻是否高于正常电阻。
- 5.测试PAC的I/O卡，发送mA信号到控制器的输入，并检查正确的指示。
- 向最终控制元件(例如，阀门定位器)发送mA信号。如果元件按指示执行，则问题出在接线或控制器输出信号上。如果没有，则故障可能出在最终控制元件上。
回路故障
如果问题不是死循环，而是不准确的死循环，可能的原因包括PAC上的I/O卡坏了或最终控制元件坏了。通常最好从对发射机、本地或远程指示器或最终控制元件进行现场检查开始。
对于最终控制元件，使用毫安钳式表测量回路电流，并将数值与阀门或其他最终控制元件上的本地位置指示器进行比较。将该信息传递给操作员以验证结果。
在测量回路的情况下，使用钳形表测量回路电流，然后与操作员检查，看看控制面板上显示的值与实际回路电流是否一致。这可以快速检查处理循环的PAC I/O卡。也可以将已知信号发送到控制室-像以前一样，将操作员读取的值与环路中的实际电流进行比较。
检查PAC I/O卡
要排除4-20 mA输入卡的故障，断开过程回路，输入已知信号电流，并将其与读数显示的值进行比较。用类似的方法检查电压输入卡，输入已知的信号电压。
若控制系统无响应，请检查I/O卡输入电阻。(250欧姆是一个典型值。)如果电阻读数显示开路，则I/O卡可能有缺陷或保险丝熔断。
分析数据，得出结论
一次测量有时就能揭示问题的根源。有时需要仔细分析一系列测量值，这就是为什么在故障排除过程中记录测量值很重要的原因。有时，分析度量会提出额外的问题，这些问题可以作为额外测试的基础，使研究人员更接近于找到系统问题的解决方案。